Mik azok a harmonikusok a led tápegységben/ledes meghajtóban?

Egy ideális energiarendszerben a feszültségnek és az áramerősségnek tökéletes, sima szinuszhullámnak kell lennie (az alaphullámnak 50 Hz vagy 60 Hz frekvenciájának kell lennie). A valóságban azonban sok elektromos eszköz (például a LED-es tápegységek) "szennyezi" ezt a tökéletes hullámformát, ami miatt az aktuális hullámforma torzul, és már nem sima szinuszhullám.

Matematikailag ez a torz hullámforma felbontható egy 50 Hz/60 Hz-es alaphullámra és szinuszhullámok sorozatára, amelyek frekvenciái az alapfrekvencia egész számú többszörösei (pl. 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Ezeket a nagyfrekvenciás szinuszhullámokat harmonikusoknak nevezzük.

2. harmonikus: A frekvencia kétszerese az alapértéknek (100Hz/120Hz)

3. felharmonikus: A frekvencia az alapérték háromszorosa (150Hz/180Hz)

5. felharmonikus: A frekvencia az alap 5-szöröse (250Hz/300Hz)

...és így tovább.

Különleges okok a LED tápegységekben:

A modern LED tápegységek jellemzően kapcsolóüzemű tápegység (SMPS) technológiát használnak. A LED chipek váltakozó áramának (AC) egyenárammá (DC) való átalakításának kulcsfontosságú része az egyenirányító és szűrő áramkör.

Egyenirányítás: A váltakozó áram áthalad egy diódahíd egyenirányítón, és pulzáló egyenárammá válik.

Kondenzátorszűrés: Egy nagy elektrolit kondenzátor felelős a pulzáló egyenáram stabil egyenárammá való "kisimításáért".

A probléma itt rejlik: Ez a szűrőkondenzátor csak nagyon rövid ideig vesz áramot a hálózatból az AC feszültség csúcsa közelében, hogy gyorsan feltöltse magát. A feszültségciklus hátralévő részében nem vesz fel áramot.

Ez azt eredményezi, hogy a LED tápegység nem folyamatos szinuszhullámként, hanem éles, keskeny impulzusként veszi fel az áramot a hálózat oldaláról nézve. Ez a nem szinuszos, impulzusos áram jelentős mennyiségű harmonikus komponenst tartalmaz, különösen a 3., 5., 7. és egyéb páratlan rendű harmonikusokat.

Vizuális megértés:

Képzelje el, hogy a bal oldalon az ideális szinuszos áram, a jobb oldalon pedig a LED tápegység által generált torzított áram hullámalakja (impulzusszerű). Ez utóbbi felbontható az alaphullámra és a rárakódó különféle harmonikusokra.

2. A felharmonikusok „szerepe” (valójában a negatív hatások)

A teljesítményelektronika területén a harmonikusok szinte mindig negatív jelenségnek számítanak. Az ő "szerepük" egy sor probléma és veszély előidézése.

1. Megnövekedett veszteségek és fűtés a vezetékekben és a berendezésekben

Amikor harmonikus áramok áramlanak át vezetékeken és transzformátorokon, a skin hatás miatt további melegítést okoznak, ami növeli az ellenállást. Ez a következőkhöz vezet:

A vezetékek túlmelegedése, felgyorsítja a szigetelés öregedését és akár tűzveszélyt is jelent.

Túlmelegedő transzformátorok, amelyeket le kell csökkenteni, csökkentve terhelhetőségüket.

2. Túlzott semleges vonali áramot okoz

Egy háromfázisú négyvezetékes rendszerben a 3. harmonikust és többszöröseit (3., 9., 15....) "nulla sorrendű harmonikusoknak" nevezik. Nem zárják ki egymást a semleges vonalon; ehelyett összeadódnak. Emiatt a semleges áram még nagyobb is lehet, mint a fázisáram, ami a nullavezeték túlmelegedéséhez vezethet, ami nagyon veszélyes.

3. Befolyásolja az elektromos hálózat minőségét és az egyéb berendezéseket

Feszültségtorzítás: A harmonikus áramok harmonikus feszültségeket hoznak létre a hálózat impedanciáján, ami maga a hálózati feszültség torzulását okozza. Ez befolyásolja az ugyanahhoz a hálózathoz csatlakoztatott egyéb érzékeny berendezések (például precíziós műszerek, kommunikációs eszközök) normál működését.

Áramköri megszakító zavaró kioldása: A megszakítók vagy a földzárlat-megszakítók tényleges hiba nélküli kioldását okozhatják.

Csökkenti a teljesítménytényezőt: Míg az alacsony hagyományos "elmozdulási teljesítménytényező" korrigálható, a harmonikusok jelenléte a valódi teljesítménytényező csökkenéséhez vezet.

4. Kondenzátorok károsodása

Az elektromos rendszerekben a teljesítménytényező korrekciójára használt kondenzátorok nagyon érzékenyek a harmonikusokra. A felharmonikusok áram túlterhelését okozhatják. Súlyos esetekben ez akár rezonanciához is vezethet, ami a kondenzátorok kidudorodását, meghibásodását vagy felrobbanását okozhatja.

3. Hogyan bánjunk a harmonikusokkal? - Teljesítménytényező korrekció (PFC)

A felharmonikus probléma megoldására a kiváló minőségű LED tápegységek egy Power Factor Correction (PFC) nevű áramkört tartalmaznak.

A PFC áramkör egyik fő célja a harmonikusok kezelése. Szabályozza az áram hullámformáját, hogy az szorosan kövesse a feszültség szinuszhullám alakját, ezáltal:

Az aktuális hullámforma megváltoztatása éles impulzusokról sima szinuszhullámra.

Nagymértékben elnyomja a harmonikus áramok keletkezését.

Egyidejűleg a teljesítménytényező javítása (általában 0,9 fölé).

A megvalósítástól függően a PFC a következőkre oszlik:

Passzív PFC: Alacsonyabb költség, átlagos teljesítmény, jellemzően csak 0,7-0,8-ra emeli a teljesítménytényezőt, korlátozott harmonikus elnyomási képességgel.

Aktív PFC: Speciális IC-ket és kapcsolóáramköröket használ, nagyon hatékony, 0,95 fölé tudja emelni a teljesítménytényezőt, és jelentősen csökkenti a harmonikus tartalmat. Ez a közép- és csúcskategóriás LED tápegységek fő konfigurációja.

Koncepció: A LED-es tápegységek harmonikusai az alapfrekvencia egész számú többszörösei, amelyek a tápegység nemlineáris működési jellemzői (impulzusos áramfelvétel) következtében keletkeznek, amelyek torzítják az áram hullámformáját.

Szerep (hatások): A felharmonikusok elsősorban negatívak, megnövekedett rendszerveszteséget és fűtést okoznak, túlterhelik a semleges vezetéket, szennyezik az elektromos hálózatot, és zavarják a többi berendezést.

Ellenintézkedés: Teljesítménytényező-korrekciós (PFC) áramkör (különösen aktív PFC) kialakításával a LED tápegységébe hatékonyan el lehet nyomni a harmonikusokat, visszaállítva az áram hullámformáját szinuszos hullámmá. Ez lehetővé teszi, hogy a tápegység megfeleljen a szigorú nemzetközi harmonikus szabványoknak (például az EU EN 61000-3-2 szabványának).